基于FPGA的CCD相机时序发生器的设计

1 引言
　　科学级CCD相机（Scientific grade CCD camera）是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的CCD相机，用于对微光信号检测和微光成像。它在射线数字成像检测、生物医学工程、水下摄影、武器装备、天文观测、空间对地观测等多种技术领域得到了广泛应用。
　　科学级CCD相机一般由高速CCD 感光芯片、视频信号处理器、时序控制器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像系统等部分组成，其中时序发生器性能的优劣直接决定了相机的品质参数。该科学级CCD相机采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作为传感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作过程和对驱动信号的要求，在此基础上设计出合理的时序电路， 为了满足在实际工作中像移速度异速匹配的要求，在时序电路的设计中时序发生部分是可调的。这种设计方案简单、可靠、实用。在综合比较各种硬件实现电路的优缺点后，选用现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 作为硬件设计平台，使用VHDL 语言对驱动电路方案进行了硬件描述，采用EDA 软件对所设计的时序发生器成功地进行了功能仿真。最后针对XILINX公司的可编程逻辑器件XC2VP20-FF1152进行了适配和硬件电路调试，进而实现了对整个科学级CCD 相机的控制。
　　2 TDI-CCD的工作原理及驱动分析
　　2.1 TDI-CCD工作原理简介
　　TDI（time delay and integration）是一种能够增加线扫描传感器灵敏度的扫描技术。TDI-CCD是具有一种面阵结构、线阵输出的新型CCD，较普通的线阵CCD而言，它具有多重级数延时积分的功能。从其结构来看，多个线阵平行排列，像元在线阵方向和级数方向呈矩形排列，像元分布示意图如图1所示。
　　

　　图1 TDI-CCD像元分布示意图

　　图1中，TDI-CCD的电荷累积方向是沿Y向进行的，其推扫级数自下而上为第1级至第96级。在成像过程中，随着相机（或景物）的运动，TDI-CCD从第96级至第1级依次感光，电荷从第96级至第1级逐级累积。最终，经过多重延时积分积累起来的电荷包（成像数据信息）转移到CCD水平读出寄存器上，并从第1级经运算放大器传输出去。从TDI-CCD的电性能特点可以看出，TDI-CCD为一种单方向推扫成像器件。与一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可变积分级数来增加曝光时间。在传感器成像时，由于信号存储与曝光时间是成正比的，TDI-CCD通过延长曝光时间来增加所收集到的光子，因此比一般线阵CCD具有更高的灵敏度，可用在低光照度环境下成像，同时又不会影响扫描速度。TDI-CCD具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点，使其在高速、微光领域具有广泛的应用前景 。
　　2.2 关于DALSA IL-E2型TDI-CCD 图像传感器
　　CCD 图像传感器是科学级CCD相机的关键组成部件， 其性能的优劣直接影响着相机的功能和使用效果。该科学级CCD 相机选用了加拿大DALSA 公司生产的IL-E2型TDI-CCD 图像传感器，该TDI-CCD的像素结构 2048×96 。像元尺寸为13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高数据输出频率为20MHz 、动态范围为1600:1 、单向、单端输出、级数可选、具有蓝光响应增强功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分为3个功能区，即光敏元探测区、电荷传输区、检测输出区。
　　2.3 IL-E2型TDI-CCD驱动时序分析
　　TDI-CCD的驱动时序控制比普通线阵CCD的驱动时序控制要复杂的多， IL-E2型TDI-CCD的时序控制包括各种直流电平控制和各种时钟脉冲序列控制。对于前者，主要包括供电电压VDD、输出栅电压VEST、溢出栅电压VOV、衬底电压VBB和级数控制偏置电压等；对于后者，主要包括行转移时钟脉冲TCK，像元移位读出时钟脉冲CR1、CR2，输出复位时钟脉冲RST，TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲CI1～CI4，级数控制时钟脉冲CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作时，在行转移时钟脉冲TCK为高电平期间，像元感光产生的信号电荷在TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿着TDI（TDI级数由TDI级数控制脉冲选为6、12、24、48、96中的一种）方向积累并转移到输出移位寄存器中；当TCK为低电平时，TDI-CCD在像元移位读出时钟脉冲CR1、CR2的作用下，输出复位时钟脉冲RST每来一个有效电平高电平时，TDI-CCD的输出信号OS端输出一个信号，直到信号输出完为止。之后TCK由低电平变为高电平，CI1、CI2、CI3、CI4也相应的变为有效电平，转移上一次转移完后像元感光产生的信号电荷，开始一个新的周期。这些时序控制的详细对应关系如图2所示。

　　

　　图2 TDI-CCD时序详图

对于此TDI-CCD时序设计与普通线阵CCD时序设计存在以下几个突出